Observation radar de Mars et Phobos avec SHARAD/MRO et MARSIS/MEX : détection d'échos proche de la surface et caractérisation orbitale - TEL - Thèses en ligne
Thèse Année : 2024

Radar observation of Mars and Phobos with SHARAD/MRO and MARSIS/MEX : shallow subsurface echoes detection and orbital characterization.

Observation radar de Mars et Phobos avec SHARAD/MRO et MARSIS/MEX : détection d'échos proche de la surface et caractérisation orbitale

Résumé

This thesis is divided in two distinct parts. The first one is motivated by the study of the shallow Martian subsurface with SHARAD/MRO, and will consist in a methodological study of the impact of the choice of terrain model on simulations for the radar data interpretation. In the second part, we study the interior and orbit of Phobos with MARSIS/MEX.To begin with, our objective is to analyze the shallow subsurface of the southern midlatitudes of Mars with the aim of detecting shallow ice. To do so, we use data from the SHAllow RADar (SHARAD) onboard Mars Reconnaissance Orbiter, which fathoms the first hundreds of meters of the Martian subsurface at a frequency of 20±5 MHz. Classically, radar data is analyzed by comparing simulations of the surface echoes using terrain models. We perform a methodological study of the impact of different shape models on the detection of shallow subsurface reflectors. As a case study, we choose a potential echo detected in the shallow subsurface of Terra Cimmeria by comparison with a simulation using an HRSC terrain model. By performing a comparative study of the impact of terrain models on the detection of this echo, we show several things. First, we observe that the altimetry-based terrain models like MOLA for our case, do a great job in reconstructing the topography with a good accuracy, but their low resolution does not allow them to reproduce the smallest structures, making the analysis of shallow reflectors in rough terrain challenging. We also show that optical terrain models are sometimes prone to artefacts, that may create unwanted echoes on the simulation, or mask some real ones. Using photoclinometry, we are able to reproduce the surface topography with great fidelity and a sufficient level of detail to determine that the identified echo of our case study was in fact coming from the surface, but was undetected due to artefacts in the other optical models. This study also shows that the comparison of radar data with simulations can be used to assess the quality of terrain models, more specifically by comparing small-scale features.The second part of this manuscript is focused on the study of Phobos with MARSIS, a radar onboard Mars Express working at several 1MHz-bands centered around frequencies from 1.8 to 5MHz. The original goal of this study is to adapt the tools we developed for the study of SHARAD data on Mars, to analyze MARSIS data on Phobos and try to detect subsurface echoes due to a possible heterogeneity in its subsurface. The Synthetic Aperture Radar (SAR) processing applied to the 35 MARSIS dataset in our possession allowed for a clear improvement of the signal-to-noise ratio, but the comparison with simulations using different shape models did not reveal any subsurface echoes.This comparison however showed that there were some range offsets between simulations and MARSIS data. We show in this second part that these offsets are mainly due to errors in Phobos’ orbit. The measurement of the orbital offsets will then be used to generate additional control points to calculate Phobos’ ephemerides.
Ce travail de thèse est articulé en deux parties distinctes. La première est motivée par l’étude du proche sous-sol martien avec SHARAD/MRO, et sera constituée d’une étude méthodologique de l’impact du choix de modèle de terrain sur les simulations pour l’interprétation des données radar. Dans un deuxième temps, nous traitons de l’analyse de l’intérieur et de l’orbite de Phobos avec les données du radar MARSIS/MEX.Premièrement, nous souhaitons analyser le proche sous-sol des moyennes latitudes martiennes Sud dans le but d’y détecter de la glace. Pour cela, nous utilisons des données de SHARAD, un radar à bord de Mars Reconnaissance Orbiter, sondant les premières centaines de mètres sous la surface martienne à une fréquence de 20±5MHz. L’analyse de ces données est classiquement faite par comparaison avec des simulations des échos de surface en utilisant des modèles de terrain. Dans cette première partie, nous proposons une étude méthodologique de l’impact des modèles de terrain sur la simulation d’échos proches de la surface. Pour ce faire, nous prenons pour cas d’étude un potentiel réflecteur souterrain identifié dans la région de Terra Cimmeria par comparaison avec un modèle de terrain HRSC.En réalisant une étude comparative de l’impact du modèle de terrain sur la détection de cet écho de surface, nous mettons en évidence plusieurs choses. Premièrement, nous observons que les modèles générés par altimétrie laser permettent de reproduire fidèlement les principaux échos de surface, mais que leur faible résolution ne permet pas de reproduire les structures les plus fines, complexifiant l’analyse de réflecteurs peu profonds dans des régions très rugueuses. De plus, nous montrons que les modèles de terrain optiques sont sujet à des artefacts de mesure pouvant créer des échos supplémentaires ou en masquer d’autres. En utilisant la photoclinométrie, il nous est possible de reproduire la topographie de la surface avec une bonne fidélité et un niveau de détail suffisant pour pouvoir déterminer que l’écho identifié dans notre étude de cas était en fait un écho de surface, mal reproduit par les précédents modèles de terrain. Cette étude montre aussi que la comparaison entre les simulations et les données radar permet d’estimer les erreurs sur le modèle de terrain utilisé, notamment en comparant les structures petite échelle visibles.La deuxième partie de cette thèse est focalisée sur l’étude de Phobos avec MARSIS, un radar sur Mars Express fonctionnant à des fréquences allant de 1,8 à 5MHz, avec une largeur de bande de 1MHz. Le but premier cette étude est d’utiliser les outils mis en place pour l’étude de Mars avec SHARAD pour traiter les données MARSIS sur Phobos, et ainsi espérer détecter des interfaces souterraines traduisant l’hétérogénéité de l’intérieur du satellite martien. Le traitement SAR (Synthetic Aperture Radar) appliqué aux 35 jeux de données MARSIS a mené à une nette amélioration du rapport signal sur bruit, mais la comparaison avec des simulations faites avec différents modèles de forme n’a pas permis d’identifier d’échos de sous-sol.Cependant, cette comparaison a mis en exergue des décalages dans la mesure de distance entre les données MARSIS et les simulations. Nous déterminons dans cette seconde partie que ces décalages sont majoritairement dus à des erreurs dans l’orbitographie de Phobos. Les mesure des décalages orbitaux permettra ensuite de servir de points de contrôle supplémentaires pour calculer l’orbite de Phobos.
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Origine Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04640074 , version 1 (09-07-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04640074 , version 1

Citer

Léopold Desage. Observation radar de Mars et Phobos avec SHARAD/MRO et MARSIS/MEX : détection d'échos proche de la surface et caractérisation orbitale. Astrophysique [astro-ph]. Université Grenoble Alpes [2020-..], 2024. Français. ⟨NNT : 2024GRALY003⟩. ⟨tel-04640074⟩
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